Астрономы сделали потрясающее открытие, обнаружив в ранней Вселенной исключительно большую сверхмассивную черную дыру. Излучая свет в период, когда нашему космосу было всего 764 миллиона лет, эта массивная черная дыра, по оценкам, в 40 миллионов раз превышает массу нашего Солнца, что противоречит ожиданиям для столь ранней эпохи.
"Маяки" в ранней Вселенной
Квазары возникают, когда огромное количество материи окружает сверхмассивные черные дыры. Эта материя организуется в аккреционный диск из газа и пыли, постепенно питая черную дыру. Под действием мощной гравитации черной дыры эта материя перемешивается, создавая экстремальные температуры и интенсивную яркость.
Кроме того, вещество, которое не поглощается сверхмассивной черной дырой, направляется к полюсам космического титана. Частицы в этих зонах разгоняются до скоростей, близких к скорости света, образуя плотные струи. Когда эти релятивистские струи испускаются, они создают светящиеся вспышки, сопровождаемые ослепительными электромагнитными излучениями.
Благодаря этим явлениям квазары, источником энергии которых являются сверхмассивные черные дыры в активных галактических ядрах (АЯГ), часто отличаются ослепительным блеском, настолько, что их свет может затмить свет всех звезд вместе взятых в окружающей галактике.
Однако квазар, о котором здесь идет речь, не был бы обнаружен без помощи эффекта, предсказанного Альбертом Эйнштейном в 1915 году: гравитационного линзирования.
Увеличивающий эффект
Общая теория относительности Эйнштейна предполагает, что объекты с массой искривляют пространство-время. Согласно этой теории, гравитация является следствием этого искривления, причем с увеличением массы объекта искривление пространства-времени становится более выраженным.
Когда свет приближается к массивному объекту, его траектория становится все более искривленной, что меняет его внешний вид. Иногда этот эффект может даже создать впечатление, что фоновый объект появляется в нескольких местах на одном изображении неба. В других случаях свет от фонового объекта просто усиливается, увеличивая его видимый размер.
Сверхмассивная черная дыра возрастом 700 миллионов лет
В рамках этой недавней работы телескоп Джеймса Уэбба использовал скопление галактик под названием Abell 2744 в качестве переднего плана, чтобы усилить свет от фоновых галактик, которые в противном случае слишком далеки, чтобы их можно было увидеть. Это позволило обнаружить квазар, на котором они сфокусировались.
Изначально он был виден как три красные точки. Затем исследователи использовали модель цифрового линзирования, чтобы определить, что это, должно быть, несколько изображений одного и того же фонового источника, наблюдавшегося, когда Вселенной было всего 700 миллионов лет.
Анализ цветов объекта также показал, что это не типичная звездообразующая галактика. Благодаря компактным размерам стало ясно, что это, скорее всего, сверхмассивная черная дыра. Очень красный оттенок на снимках объясняется тем, что ее свет растянулся во времени из-за расширения Вселенной, а также тем, что объект окружен огромным облаком газа и пыли.
Колоссальный объект
Несмотря на свою молодость, эта сверхмассивная черная дыра превосходит свою галактику-хозяина и, как ни странно, является более массивной, чем обычно. В целом сверхмассивная черная дыра должна составлять около 0,1 % массы звезд в своей галактике, но эти наблюдения показывают, что она слишком велика, превышая эту оценку по крайней мере в десять раз.
Это открытие добавляет загадку к тому, как сверхмассивные черные дыры, которые могут быть в миллионы (или даже миллиарды) раз массивнее Солнца, достигли таких огромных размеров в период становления Вселенной. Фактически, было обнаружено, что несколько других сверхмассивных черных дыр в ранней Вселенной имеют схожие характеристики. На данный момент астрономы не могут объяснить это.
LIFE (Large Interferometer For Exoplanets) - так называется потенциальная будущая космическая миссия, работающая в среднем инфракрасном диапазоне и предназначенная для изучения атмосфер экзопланет и поиска жизни за пределами Солнечной системы. Под руководством Цюрихской высшей технической школы (EHT) LIFE может в один прекрасный день обнаружить жизнь на других планетах (если таковая существует).
Чтобы проверить, действительно ли это возможно, физики из EHT и Цюрихского университета провели исследование, в котором рассматривали нашу Землю так, как если бы она была экзопланетой. Полученные результаты говорят о том, что да, LIFE может правильно определить Землю как планету, на которой может процветать жизнь, с обнаруживаемыми уровнями биоиндикаторов, умеренным климатом и условиями, позволяющими иметь жидкую воду на поверхности.
LIFE: сеть из пяти спутников в поисках жизни
Миссия LIFE направлена на самое детальное на сегодняшний день изучение экзопланет, похожих на Землю. Это каменистые миры, размеры и температура которых сопоставимы с размерами и температурой нашей планеты. В этих мирах миссия, возможно, однажды сможет обнаружить следы внеземной жизни.
Концепция миссии предполагает размещение пяти небольших спутников в точке Лагранжа L2 системы Земля-Солнце, недалеко от космического телескопа Джеймса Уэбба. Вместе эти спутники образуют большой телескоп, который будет работать как интерферометр, улавливая инфракрасное тепловое излучение экзопланет.
Пять спутников миссии LIFE, соединенных в большой космический телескоп.
Обнаруженный световой спектр может быть использован для определения состава этих экзопланет и их атмосфер. "Наша цель — обнаружить в световом спектре химические соединения, которые позволяют предположить наличие жизни на этих экзопланетах", — пояснил Саша Куанц, возглавляющий инициативу LIFE.
Земля как экзопланета
Чтобы завершить проект, ученым нужно было ответить на два важнейших вопроса, для чего они использовали нашу планету. Первый: если бы большой телескоп наблюдал за нашей Землей из космоса, какое инфракрасное излучение он бы зафиксировал?
Поскольку Земля наблюдалась бы с большого расстояния, она выглядела бы как точка, без каких-либо узнаваемых черт, таких как море или горы, точно так же, как выглядят экзопланеты, которые мы наблюдаем сегодня. Это означает, что спектры будут представлять собой пространственные и временные усреднения, зависящие от того, какие участки планеты будет наблюдать телескоп, в зависимости от углов и наклона, а также от продолжительности времени.
Второй вопрос: если проанализировать эти спектры, усредненные за несколько наблюдений, на предмет информации об атмосфере и состоянии поверхности Земли, то как результаты будут зависеть от таких факторов, как геометрия наблюдений и сезонные колебания?
Таким образом, исследователи рассмотрели три варианта геометрии наблюдений: два вида с полюсов, один экваториальный вид с центром в Африке и еще один экваториальный вид с центром в Тихом океане. Кроме того, они сосредоточились на данных, записанных в январе и июле, чтобы учесть большие сезонные колебания.
Четыре изученные геометрии наблюдений. Слева направо: Северный полюс (NP), Южный полюс (SP), экваториальный вид с центром на Африку (EqA) и экваториальный вид с центром на Тихий океан (EqP).
Да, мы можем определить обитаемую планету
Главный результат исследования обнадеживает. Если бы космический телескоп, подобный LIFE, наблюдал за планетой Земля, он бы обнаружил признаки умеренного, пригодного для жизни мира. Объединив тепловые спектры из эмпирического набора данных наблюдений Земли, дополненного шумовой моделью LIFE для создания фиктивных наблюдений, команда смогла обнаружить атмосферные концентрации углекислого газа, воды, озона и метана в инфракрасных спектрах земной атмосферы, а также условия на поверхности, способствующие присутствию воды. Особенно важны данные по озону и метану, поскольку эти газы вырабатываются биосферой Земли.
Что еще более важно, эти результаты не зависят от геометрии наблюдений. Это очень хорошая новость, поскольку точная геометрия наблюдений для будущих наблюдений за землеподобными экзопланетами, вероятно, будет неизвестна.
Что касается сезонности, то здесь все немного сложнее. Необходимо учитывать зависящие от сезона атмосферные изменения, которые, безусловно, внесут погрешность в усредненные спектры. Однако в целом исследование показывает, что космические миссии следующего поколения, такие как LIFE, могут не только оценить, пригодны ли для жизни близлежащие экзопланеты с умеренным климатом (но и вообще обитаемы ли они).
Молекула воды — одна из самых важных молекул во всей Вселенной. Являясь чрезвычайно эффективным растворителем, вода сыграла ключевую роль в возникновении жизни в том виде, в котором мы ее знаем на нашей планете.
Химическая характеристика экзопланетных атмосфер фокусируется на обнаружении именно этого вида молекул. И не только это, ведь вода также играет фундаментальную роль в физике формирования планетарных систем, благодаря ее чрезвычайно высокому содержанию как в газообразном, так и в ледяном состоянии.
Недавно с помощью радиоинтерферометра ALMA (Atacama Large Millimeter/submillimeter Array) группа специалистов ESO обнаружила и охарактеризовала водяной пар в диске вещества, окружающего молодую звезду HL Tauri, именно там, где могут формироваться планеты. Это первый случай картирования распределения воды в стабильном, холодном диске — типе диска, который предлагает наиболее благоприятные условия для формирования планет вокруг звезд.
Наблюдение за водяным паром на расстоянии 450 световых лет
HL Tauri - молодая, похожая на Солнце звезда, расположенная в 450 световых годах от Земли в созвездии Тельца. Наблюдения, проведенные с помощью ALMA, позволили исследователям получить детальные изображения и пространственно разрешить водяной пар в диске HL Tauri, несмотря на ее удаленность.
Наблюдение за водой с помощью телескопа с земли представляет собой нелегкую задачу, поскольку большое количество водяного пара в атмосфере Земли ухудшает астрономические сигналы. В настоящее время ALMA - единственный объект, способный выполнить такую задачу.
Самое четкое изображение, когда-либо полученное ALMA, даже более четкое, чем обычно удается получить в видимом свете с помощью космического телескопа Хаббл. На нем изображен протопланетный диск, окружающий молодую звезду HL Tauri.
В новых наблюдениях использовались приемники Band 5 и Band 7, установленные на ALMA. Они были разработаны в Европе, в Чалмерсе/NOVA (Нидерландской исследовательской школе астрономии) и IRAM (Институте радиоастрономии миллиметрового диапазона), соответственно, при участии ESO. Приемник Band 5 расширил диапазон частот ALMA, чтобы найти воду в локальной Вселенной и составить ее карту.
В этом исследовании ученые наблюдали три спектральные линии воды, расположенные в двух частотных диапазонах приемника, чтобы составить ее карту при различных температурах. Таким образом, удалось определить, как вода распределена в различных регионах протопланетного диска.
Воды в этом диске в избытке
Наблюдения ALMA показали, что в самой внутренней области диска HL Tauri содержится по крайней мере в три раза больше воды, чем во всех земных океанах. В частности, значительное количество воды было обнаружено в области, где уже наблюдался разрыв. То есть в области, более бедной материалом, в которой, скорее всего, находится формирующаяся планета.
Это открытие позволяет предположить, что водяной пар может влиять на химический состав планет, формирующихся в этих регионах. "Наши результаты показывают, как присутствие воды может повлиять на развитие планетарной системы. Так же, как это произошло около 4,5 миллиарда лет назад в Солнечной системе", — объясняет Стефано Факини из Миланского государственного университета, возглавлявший исследование.
Несомненно, модернизация ALMA, а в ближайшие годы — ввод в эксплуатацию ELT (Extremely Large Telescope) ESO помогут нам лучше понять процессы формирования планет и роль воды в этом контексте.
«Настоящие» цветные изображения показывают предполагаемые истинные оттенки двух планет Солнечной системы. Уран находится слева, а Нептун справа.
Внешние районы нашей Солнечной системы продолжают открывать свои тайны. Астрономы объявили об открытии трех новых спутников: двух, вращающихся вокруг Нептуна, и одного, вращающегося вокруг Урана. Благодаря этим наблюдениям общее число известных спутников вокруг Нептуна достигло шестнадцати, а вокруг Урана — двадцати восьми.
Самый маленький из когда-либо обнаруженных спутников
Самый последний представитель семейства спутников Урана, получивший предварительное название "S/2023 U1", имеет размер всего восемь километров в поперечнике, что делает его потенциально самым маленьким в своем роде. Он совершает полный оборот вокруг Урана за 680 дней, добавляя интригующее измерение к нашим знаниям о спутниках этой ледяной планеты. Для сравнения, размер спутника Марса Деймоса, который часто считается одним из самых маленьких известных спутников, составляет тринадцать километров в поперечнике.
Что касается новых спутников Нептуна, то самый яркий из них, получивший временное название S/2002 N5, имеет размер двадцать три километра в поперечнике и завершает свою орбиту вокруг Нептуна за девять лет. В отличие от него, более тусклый спутник, получивший в настоящее время обозначение "S/2021 N1", имеет размер четырнадцать километров в поперечнике и завершает свою орбиту вокруг газового гиганта примерно за двадцать семь лет. Этим двум нептунианским спутникам будут даны постоянные имена, вдохновленные морскими богами и нимфами из греческой мифологии. Об этом сообщил Центр малых планет Международного астрономического союза, расположенный в Массачусетсе, организация, которая присваивает имена планетам, кометам и спутникам нашей Солнечной системы.
Эти открытия стали результатом кропотливой работы группы астрономов под руководством Скотта Шеппарда из Научного института Карнеги в сотрудничестве с исследователями из Лаборатории реактивного движения НАСА (JPL), Гавайского университета и Университета Киндай, которые использовали приборы для наблюдений, расположенные на Гавайях и в Чили.
Новый спутник Урана, S/2023 U1, показан желтой стрелкой на нижнем снимке. Это очень слабая точка света, а не большое пятно.
Спутники, захваченные в ходе своей истории
Эти три небольших спутника также отличаются яйцевидными и сильно наклоненными орбитами, что говорит о том, что они не обязательно развивались вместе с планетами-хозяевами с момента их первоначального формирования.
Скорее, эта особенность орбиты говорит о том, что они, вероятно, были захвачены гравитацией на более позднем этапе истории Солнечной системы. Таким образом, они могли прибыть из пояса Койпера, который окружает нашу звезду за орбитой Нептуна, или даже из другой системы.
Отметим, что точные механизмы гравитационного захвата могут быть разными. Например, в процессе захвата могут играть роль взаимодействия с другими планетами, транзиты вблизи других спутников или гравитационное влияние Солнца.
Изучая эти недавно открытые спутники, ученые надеются получить сведения о динамических процессах, которые формировали Солнечную систему с течением времени.
Благодаря космическому телескопу Джеймса Уэбба (JWST) астрономы решили небесную загадку почти четырехлетней давности, обнаружив нейтронную звезду, спрятанную в сердце сверхновой 1987A, расположенной на расстоянии около 170 000 световых лет от нас в Большом Магеллановом облаке.
Нейтронные звезды — это объекты, рождающиеся в результате гравитационного коллапса массивной звезды, как правило, после того, как она исчерпала свое ядерное топливо. При разрушении ядра экстремальные условия давления и плотности заставляют электроны прижиматься к протонам, превращая их в нейтроны в результате ядерных реакций.
На этом этапе вещество звезды сжимается и достигает необычайно высокой плотности. Представьте себе массу, сравнимую с массой Солнца, но сжатую в сферу диаметром около двадцати километров.
Тайна раскрыта благодаря телескопу Джеймса Уэбба
Сверхновая 1987A - результат взрыва массивной звезды, примерно в восемь-десять раз более массивной, чем Солнце. Обнаруженная 37 лет назад, эта вспышка произошла около 160 000 лет назад в Большом Магеллановом Облаке, небольшой галактике-спутнике Млечного Пути, и стала самой близкой и яркой сверхновой, наблюдавшейся в течение примерно 400 лет. Напомним, что эти события играют важнейшую роль в рассеивании таких элементов, как углерод, кислород, кремний и железо, по всей Вселенной, формируя основу для будущих звезд, планет и, возможно, даже жизни.
Объект, лежащий в основе сверхновой 1987A, предположительно был нейтронной звездой, хотя возможность существования черной дыры не исключалась. Сложность обнаружения нейтронной звезды заключалась в толстом слое газа и пыли, выброшенном во время первоначального взрыва. Он действовал как радиоэкран.
Открытие стало возможным благодаря использованию чувствительного инфракрасного прибора телескопа "Джеймс Уэбб", способного проникать сквозь пыль. Выбросы ионизированного аргона и серы из центра сверхновой стали доказательством присутствия нейтронной звезды. Эта ионизация была вызвана излучением, испускаемым нейтронной звездой.
Космический телескоп "Джеймс Уэбб" обнаружил лучшее на сегодняшний день свидетельство выброса нейтронной звезды на месте известной и недавно наблюдавшейся сверхновой.
Нейтронная звезда неопределенной природы
Команда определила, что этот объект примерно в десять раз менее светлый, чем Солнце. Однако его точная природа остается загадкой. Исследователи выдвинули две возможные идеи. Первая заключается в том, что эта нейтронная звезда может быть плотным ядром, называемым пульсаром, который выбрасывает частицы во всех направлениях. Вокруг этого пульсара можно представить себе некое облако, называемое туманностью пульсарного ветра. Вторая идея заключается в том, что эта нейтронная звезда может быть просто более классической, без всякой искусственности вокруг нее.
Дальнейшие наблюдения с помощью телескопа могут разрешить эти вопросы и определить, какой из этих двух сценариев наиболее правдоподобен.
Пролетая через самый край пояса Койпера — обширной внешней зоны Солнечной системы за орбитой Нептуна, населенной сотнями тысяч ледяных и каменистых астероидов, — космический аппарат New Horizons продолжает собирать данные, которые помогут нам лучше понять этот регион.
Здесь, почти в 60 раз дальше от Солнца, чем Земля, объекты пояса Койпера (ОПК) часто сталкиваются друг с другом, а частицы пыли, поднятые этими ударами, разлетаются в окружающее пространство. Однако, согласно моделям ученых, в пределах 2 миллиардов километров внутри пояса Койпера плотность ОПК и пыли должна уменьшиться вплоть до полного отсутствия.
Недавно прибор New Horizons Venetia Burney Student Dust Counter (SDC) обнаружил гораздо более высокие уровни пыли, чем ожидалось, на том участке, который до сих пор считался внешним краем пояса Койпера. Согласно наблюдениям этой миссии, этот край может простираться на миллиарды километров дальше, чем предполагается в настоящее время. А может быть, существует и второй пояс в дополнение к уже известному.
Ошеломляющие данные, но не уникальные
Последние поразительные результаты были получены в течение трех лет, пока New Horizons находился на расстоянии 45-55 астрономических единиц (АЕ) от Солнца (1 "АЕ" - это расстояние между Землей и Солнцем, около 150 миллионов километров). И их специально искали ученые из команды миссии. Ведь с помощью земных обсерваторий, таких как японский телескоп Субару на Гавайях, они также обнаружили ряд ОПК далеко за пределами традиционного внешнего края пояса Койпера.
Считалось, что этот внешний край, где плотность объектов начинает уменьшаться, находится на расстоянии около 50 АЕ. Однако новые данные свидетельствуют о том, что пояс может простираться до 80 АЕ и даже дальше.
Дополнительные доказательства были получены с помощью прибора SDC, разработанного и построенного студентами Лаборатории атмосферной и космической физики (LASP) при Университете Колорадо в Боулдере. SDC обнаружил микроскопические зерна пыли, образовавшиеся в результате столкновений между астероидами, кометами и другими объектами пояса Койпера во время длительного путешествия New Horizons по Солнечной системе.
Слева: траектория полета New Horizons до 55 АЕ. Цветовая шкала обозначает минимальную обнаруживаемую массу. Справа: данные с различных детекторов миссии до 25 июля 2023 года.
Действительно ли мы уверены?
SDC подсчитывает и измеряет размеры пылевых частиц, предоставляя информацию о скорости столкновения небесных тел во внешней части Солнечной системы. Высокие показатели, полученные в последнее время, позволяют предположить, что гипотеза о гораздо большем, чем ожидалось, крае пояса Койпера как никогда вероятна.
Другая, возможно, менее вероятная возможность заключается в том, что радиационное давление и другие факторы выталкивают пыль, образовавшуюся во внутреннем поясе Койпера, за пределы 50 АЕ. Возможно, "Новые горизонты" также столкнулись с более короткоживущими частицами льда. Они не могут достичь внутренних частей Солнечной системы и пока не учитываются в существующих моделях пояса Койпера.
Несомненно то, что "Новые горизонты" впервые в истории проводят прямые измерения межпланетной пыли далеко за пределами Нептуна и Плутона. Поэтому каждое наблюдение потенциально может привести к открытию. Алекс Донер, ведущий автор исследования, выпускник физического факультета Университета Колорадо в Боулдере и глава SDC, сказал:
"Идея о том, что мы, возможно, обнаружили расширенный пояс Койпера с совершенно новой популяцией объектов, сталкивающихся и производящих больше пыли, дает еще один ключ к разгадке тайн самых отдаленных регионов Солнечной системы".
Оценки потока частиц с радиусом более 0,63 микрометра, обнаруженных прибором SDC с гелиоцентрического расстояния от 1 до 55 астрономических единиц.
Работа "New Horizons" тем временем продолжается
Миссия New Horizons была продлена в октябре 2023 года. Ожидается, что у него будет достаточно топлива и энергии, чтобы работать до 2040 года на расстоянии более 100 АЕ от Солнца. На таком расстоянии SDC сможет даже зафиксировать переход зонда в область, где в пылевой среде преобладают межзвездные частицы.
Это означает, что вместе с дополнительными наблюдениями с помощью телескопов с Земли у "Новых горизонтов" есть уникальная возможность узнать больше о ОПК, источниках пыли и протяженности пояса Койпера. Но также и о межзвездной пыли, а значит, и о пылевых дисках вокруг других звезд.
"Эти новые научные результаты, полученные с помощью New Horizons, могут стать первым случаем, когда космический аппарат обнаружил новую популяцию тел в нашей Солнечной системе", — сказал Алан Стерн, руководитель миссии New Horizons. "Не терпится увидеть, как далеко удастся зайти за пределы этих высоких уровней пыли в поясе Койпера".
Однажды на Монте Гарильоне в Калабрии один коллекционер нашел микрометеорит с необычным металлическим блеском. Он имел форму маленького шара и очень странный состав. Поэтому он решил передать его в Университет Бари, который проанализировал его, чтобы выяснить его природу.
Опубликованные вчера результаты, полученные в результате сотрудничества Университета Бари, Флорентийского университета и ASI, свидетельствуют о том, что блеск микрометеорита обусловлен наличием очень редкого металлического сплава меди и алюминия. Внутри этого крошечного внеземного камня находится материал с запрещенной симметрией — квазикристаллы.
Это всего лишь третий в мире случай обнаружения метеоритного материала с такими характеристиками. И это только второй случай обнаружения микрометеорита, содержащего квазикристалл природного происхождения, после открытия метеорита Хатырка в 2011 году на Дальнем Востоке России.
Микрометеорит, найденный на Монте Гарильоне, Калабрия.
Квазикристаллы
В отличие от обычных кристаллов, которые имеют регулярный, повторяющийся рисунок, неограниченно простирающийся в пространстве, квазикристаллы - это структуры, которые демонстрируют упорядоченное, но непериодическое расположение атомов.
Квазикристаллы были впервые обнаружены (теоретически) в 1982 году израильским исследователем Даном Шехтманом. Изначально его открытие вызвало споры, поскольку бросало вызов традиционным представлениям о структуре твердых тел. Однако последующие исследования подтвердили существование и важность квазикристаллов, которые встречаются в различных материалах, включая некоторые алюминиды и металлические сплавы.
Эти структуры обладают уникальными физическими свойствами, такими как низкая теплопроводность и необычная твердость, что делает их привлекательными для различных применений, включая износостойкие покрытия, катализаторы и материалы для передовых технологий.
Пятнадцать лет назад было обнаружено, что этот материал существует и в природе, когда команда Луки Бинди из Флорентийского университета обнаружила первый квазикристалл в образце, принадлежащем метеориту Хатырка. Этот результат стал экспериментальным доказательством того, что квазикристаллы могут образовываться и в природе при соответствующих геологических условиях.
Микрометеорит скорее уникальный, чем редкий
Найденный в Италии микрометеорит под названием FB-A1 уникален не только тем, что это всего лишь второй из когда-либо найденных квазикристаллов, но и тем, что он был обнаружен за тысячи километров от первой находки.
Это вытянутая микросфера, максимальный диаметр которой составляет около 500 микрометров, темно-серого цвета с видимыми частями, имеющими металлический блеск. Анализ неповрежденного образца был проведен неразрушающим методом с использованием компьютерной рентгеновской микротомографии, электронной микроскопии и дифракции обратного рассеяния электронов.
Результаты показывают, что большинство металлических фрагментов соответствуют сплавам алюминия и меди, рассеянным в матрице из силикатного стекла, содержащей кристаллы оливина, железо-никеля и железо-никелевого сульфида и оксиды.
a) Светлая область соответствует столпериту, темная — квазикристаллу в микрометеорите FB-A1 из Монте Гарильоне. b) Модель с типичной икосаэдрической симметрией с осями 5, 3, 2.
В настоящее время микрометеорит хранится в Музее наук о Земле при Университете Бари. Паола Манзари, сотрудник отдела координации научных исследований и высшего образования (RCO) космического центра ASI в Матере, прокомментировала:
"Результаты этого исследования показывают, что существует еще неизвестная Вселенная минералогических фаз на наноуровне в материалах внеземного происхождения, которая до сих пор удивляет нас. Обнаружение этого аномального сплава в хондрической матрице, а также присутствие квазикристаллов открывает новые сценарии происхождения исходного материала, от которого отделился фрагмент, и позволяет по-новому взглянуть на механизмы формирования Солнечной системы".
14 сентября 2015 года на Земле возникла почти незаметная вибрация — очень слабый сигнал, который позже описали как похожий на щебетание птицы. Это была пульсация пространства-времени, которая никогда ранее не была непосредственно обнаружена. Это была гравитационная волна.
Объявление об этом необычном открытии, означавшем огромный скачок вперед в астрофизических исследованиях, было сделано 11 февраля 2016 года, восемь лет назад. Результат окончательно доказал существование гравитационных волн, гипотеза о которых была выдвинута столетием ранее Альбертом Эйнштейном в его теории общей теории относительности.
Рябь пространства-времени в том первом сигнале, зафиксированном на Земле, была вихревым танцем двух черных дыр, которые сближались друг с другом, пока не слились. Гравитационные волны, порожденные этим событием, распространялись в течение 1,4 миллиарда лет, прежде чем достигли интерферометров LIGO в США и Virgo в Каскине (около Пизы).
Почему так трудно обнаружить гравитационные волны?
Гравитационные волны — это волны, порожденные ускорением масс, которые своей гравитацией деформируют окружающее пространство-время. Эти волны распространяются наружу, вызывая рябь в ткани пространства-времени, и несут в себе энергию в виде гравитационного излучения.
Впервые они были предложены Оливером Хевисайдом в 1893 году, а затем Анри Пуанкаре в 1905 году. Только в 1916 году Альберт Эйнштейн продемонстрировал, что гравитационные волны являются результатом его теории общей теории относительности в виде пульсаций в пространстве-времени. Однако характер приближений Эйнштейна заставил многих, включая самого Эйнштейна, усомниться в этом результате.
Обнаружение гравитационных волн с Земли — сложная задача, требующая сложнейших приборов и тщательного анализа данных. Среди основных используемых методов — лазерная интерферометрия. Она использует чувствительную интерференцию световых волн для обнаружения бесконечно малых изменений в длине прибора.
Лазерные интерферометры, такие как LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory) и Virgo, состоят из длинных L-образных рукавов длиной в несколько километров, по которым движется лазерный луч. Когда гравитационная волна проходит через Землю, она вызывает деформации пространства-времени, которые влияют на путь света. Измеряя разность фаз между лазерными лучами, проходящими через рукава, можно с высокой точностью обнаружить эти изменения длины.
Трудность обнаружения гравитационных волн заключается главным образом в технологической задаче изоляции помех от окружающей среды. Небольшие сейсмические движения, вибрации, вызванные движением транспорта, или даже тепловой шум молекул в воздухе могут маскировать сигналы гравитационных волн.
Кроме того, гравитационные волны чрезвычайно слабы. Когда они приходят на Землю от космических событий, таких как слияние черных дыр или далеких нейтронных звезд, их влияние на длину измерений ничтожно мало, порядка долей атомного размера. Это требует чрезвычайно чувствительной аппаратуры. И большие аналитические способности, чтобы отличить реальные сигналы от фонового шума и инструментальных артефактов.
Косвенное доказательство
Доказательство существования гравитационных волн впервые было получено в 1974 году благодаря движению бинарной системы нейтронных звезд PSR B1913+16. В ней одна из звезд является пульсаром, который при вращении испускает радиочастотные электромагнитные импульсы через точные и регулярные промежутки времени.
Рассел Халс и Джозеф Тейлор продемонстрировали, что со временем частота импульсов укорачивается. И что звезды постепенно движутся по спирали навстречу друг другу с потерей энергии, которая в точности соответствует ожидаемой энергии, излучаемой как гравитационная энергия в виде волн.
За эту работу Халс и Тейлор были удостоены Нобелевской премии по физике в 1993 году. Дальнейшие наблюдения этого пульсара и других в нескольких системах, таких как система двойного пульсара PSR J0737-3039, также впоследствии подтвердили теорию общей относительности. Однако это были косвенные свидетельства, а не реальные обнаружения явления.
Первое прямое наблюдение гравитационных волн
В 9:50:45 UTC 14 сентября 2015 года неожиданный сигнал достиг детекторов интерферометра LIGO в Хэнфорде (штат Вашингтон) и Ливингстоне (штат Луизиана). Детекторы LIGO работали на полную мощность, но еще не приступили к поисковой фазе, которая должна была начаться 18 сентября. Поэтому изначально вопрос заключался в том, были ли эти сигналы реальными обнаружениями или имитацией для тестирования.
Сигнал длился более 0,2 секунды и за это время увеличился по частоте и амплитуде с 35 до 250 Гц. Через 3 минуты после получения сигнала включилось автоматическое предупреждение о возможном обнаружении.
После предупреждения последовательность внутренних сообщений электронной почты подтвердила, что никаких тестов на симулированных данных не проводилось и что данные чисты. Это было первое прямое обнаружение сигнала гравитационной волны.
Измерения LIGO гравитационных волн на детекторах Хэнфорд (слева) и Ливингстон (справа) в сравнении с предсказанными теоретическими значениями.
Подтверждение
Более детальный статистический анализ сигнала и 16 дней окружающих данных в период с 12 сентября по 20 октября 2015 года подтвердил, что это событие, названное GW150914, является реальным. Оценка значимости составила не менее 5,1 сигмы, что соответствует 99,99994 %-ному уровню доверия.
Аналогичный сигнал достиг Ливингстона за 7 миллисекунд до прибытия в Хэнфорд. Гравитационные волны распространяются со скоростью света, и расхождение в прибытии сигнала соответствовало времени прохождения света между двумя объектами.
Во время события детектор гравитационных волн Virgo в Италии был отключен и находился в процессе обновления. Если бы он работал, то, вероятно, был бы достаточно чувствителен, чтобы обнаружить сигнал. А вот интерферометр GEO600, расположенный вблизи Ганновера, Германия, оказался недостаточно чувствительным, чтобы обнаружить сигнал.
Астрофизическое происхождение
По оценкам ученых, космическое событие, породившее сигнал GW150914, произошло на расстоянии около 1,4 миллиарда световых лет. Анализ сигнала, а также предполагаемое красное смещение, обусловленное расстоянием до события, позволили предположить, что он был получен в результате слияния двух черных дыр с массами около 30 и 35 солнечных масс, в результате чего образовалась конечная черная дыра с массой 62 солнечных масс.
Недостающие 3 солнечные массы были излучены в виде гравитационных волн, и было подсчитано, что в течение последних 20 миллисекунд слияния мощность излучаемых волн в 50 раз превышала суммарную мощность света, излучаемого всеми звездами в наблюдаемой Вселенной.
За 0,2-секундную продолжительность детектируемого сигнала относительная орбитальная тангенциальная скорость черных дыр увеличилась с 30 до 60 % от скорости света. Орбитальная частота в 75 Гц указывает на то, что в момент слияния объекты находились на расстоянии всего 350 км друг от друга.
На основе дальнейшего анализа ученые также реконструировали историю этих черных дыр, родительские звезды которых должны были сформироваться примерно через 2 миллиарда лет после Большого взрыва и иметь массу, в 40-100 раз превышающую массу Солнца.
Моделирование слияния черных дыр, излучающих гравитационные волны.
Последующие наблюдения и открытия
С 14 сентября 2015 года LIGO и Virgo сообщили о многочисленных наблюдениях гравитационных волн, возникающих при слиянии бинарных систем черных дыр. 16 октября 2017 года коллаборации LIGO и Virgo объявили о первом в истории обнаружении гравитационных волн, возникающих в результате слияния бинарной системы нейтронных звезд с массами от 0,86 до 2,26 солнечных масс.
В отличие от бинарных слияний черных дыр, бинарные слияния нейтронных звезд, как ожидалось, должны давать электромагнитный аналог, то есть световой сигнал, связанный с этим событием. Гамма-всплеск, GRB 170817A, действительно был обнаружен космическим телескопом Fermi Gamma-ray Space Telescope НАСА. Он произошел через 1,7 секунды после переходного сигнала, представляющего собой гравитационную волну.
В 2021 году было объявлено о первом обнаружении гравитационных волн от бинарной системы нейтронная звезда-черная дыра детекторами LIGO и VIRGO. Это позволило сначала установить ограничения на количество таких систем.
В июне 2023 года NANOGrav опубликовал данные за 15 лет, содержащие первое свидетельство стохастического фона гравитационных волн. Это настоящий фоновый рокот Вселенной. Он проявляется как непрерывный сигнал из-за непрерывной суперпозиции и комбинации составляющих его гравитационных волн. До этого момента он всегда оставался необнаружимым.
